陳玉山，李業(yè)強(qiáng)

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州225101)

0 引 言

相控陣天線具有靈活多變的波束，隨之而來的是巨大的測(cè)試和校準(zhǔn)工作。針對(duì)其特點(diǎn)，通常需要定制一套近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)。為縮短測(cè)試時(shí)間，常用的測(cè)試方法有2種：多探頭測(cè)量和多波位測(cè)量。通常情況下，多探頭測(cè)量需要解決探頭之間的互耦及一致性的問題。多波位測(cè)量是在一次掃描過程中，盡可能多地獲取測(cè)量信息。目前國(guó)內(nèi)外相控陣設(shè)備近場(chǎng)測(cè)試通常采用單探頭、多波位測(cè)量。單探頭特點(diǎn)是線極化純度較高，方向圖弱且前向無(wú)零點(diǎn)。

對(duì)于超寬帶相控陣面，近場(chǎng)測(cè)試通常采用多個(gè)波導(dǎo)探頭。分頻段測(cè)試導(dǎo)致效率低、測(cè)試時(shí)間過長(zhǎng)。在任務(wù)時(shí)間緊迫的條件下，需要一種能夠縮短近場(chǎng)測(cè)試的通用方法，且該方法能適用于其他陣面。

本文設(shè)計(jì)一種3倍頻寬帶加脊喇叭作為寬帶探頭，利用VB腳本編程[1-2]，對(duì)天線近場(chǎng)測(cè)試結(jié)果處理，得到待測(cè)天線方向圖與標(biāo)準(zhǔn)探頭在主波束120°范圍內(nèi)測(cè)試結(jié)果吻合，滿足實(shí)際工程需求。

1 寬帶探頭設(shè)計(jì)

1.1 理論設(shè)計(jì)

對(duì)于探頭方向圖的選擇，在待測(cè)天線遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖任意需要精確測(cè)量的方向上，探頭方向圖都不應(yīng)該出現(xiàn)零點(diǎn)，否則在進(jìn)行探頭補(bǔ)償時(shí)會(huì)出現(xiàn)零點(diǎn)。同時(shí)，探頭需要阻抗匹配以減小多次反射[3]。

常用的探頭類型有2種：

(1)小振子與小環(huán)天線，優(yōu)點(diǎn)是對(duì)測(cè)試場(chǎng)的擾動(dòng)小，并且方向圖接近理想電源，從而方向圖校正與否影響不大；缺點(diǎn)是輻射電阻小，難與實(shí)際饋電網(wǎng)絡(luò)匹配。

(2)開口波導(dǎo)探頭，基模TE10模工作，相對(duì)帶寬較寬，主極化輻射方向圖具有簡(jiǎn)單近似公式，可應(yīng)用于一般的探頭補(bǔ)償軟件；缺點(diǎn)是不能雙極化狀態(tài)工作。

如何保證探頭方向圖在3倍頻范圍內(nèi)需要精確測(cè)量的方向上不出現(xiàn)零點(diǎn)，成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

工作頻率為6～18 GHz，采用H面張開的650脊波導(dǎo)喇叭，E 面的口面為高頻的半波長(zhǎng)左右，則E面具有較寬的波束寬度。同時(shí)為滿足輻射條件，H面口面應(yīng)大于半波長(zhǎng)。為減小邊緣繞射，喇叭壁應(yīng)足夠薄。喇叭可看做逐漸張開的波導(dǎo)探頭，其方向圖由自由空間波導(dǎo)探頭的E 面、H面歸一化函數(shù)[4]可近似得到：

式中：a p為波導(dǎo)寬邊尺寸；b p為波導(dǎo)窄邊尺寸；λ為工作頻率波長(zhǎng)；θ為圓錐角。

1.2 寬帶探頭仿真設(shè)計(jì)

由理論公式分析，在HFSS中仿真建模[5-6]，通過參數(shù)優(yōu)化，得到E面開口尺寸為8.2 mm，H面開口尺寸為25 mm，天線長(zhǎng)度為250 mm，為低頻段的5個(gè)波長(zhǎng)。仿真模型及結(jié)果如圖1～圖4所示。寬帶探頭E面波束較寬，覆蓋±90°，H面波束在±60°范圍內(nèi)沒有零點(diǎn)。

圖1 寬帶探頭仿真模型

2 寬帶探頭補(bǔ)償方法

對(duì)于近場(chǎng)測(cè)量，必須考慮探頭補(bǔ)償才能準(zhǔn)確得到待測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，探頭模型的選取直接影響補(bǔ)償效果。對(duì)于線極化測(cè)試，待測(cè)天線E 面和H面方向圖簡(jiǎn)化公式[2]為：

圖2 寬帶探頭仿真駐波

圖3 仿真E面方向圖(6～18 GHz/1 GHz)

圖4 仿真H面方向圖(6～18 GHz/1GHz)

式中：FEn和FHn為不考慮探頭補(bǔ)償時(shí)，待測(cè)天線的E 面和H面方向圖；FEp和FHp為探頭的E面和H面方向圖；FE和FH為補(bǔ)償后待測(cè)天線E 面和H面方向圖。

由近遠(yuǎn)場(chǎng)變換得到未補(bǔ)償?shù)拇郎y(cè)天線主平面內(nèi)遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖，公式(1)和(2)得到寬帶探頭主平面內(nèi)的方向圖，待測(cè)天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖可由公式(3)和(4)計(jì)算得到。

圖5 寬帶探頭實(shí)物圖

圖6 寬帶探頭實(shí)測(cè)駐波

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

3.1 寬帶探頭輻射性能測(cè)試結(jié)果

參考標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)探頭的結(jié)構(gòu)形式，加工并實(shí)測(cè)了寬帶探頭的輻射性能。如圖7～圖12，將喇叭的仿真、實(shí)測(cè)與自由空間波導(dǎo)探頭的E面、H面歸一化函數(shù)對(duì)比可知，實(shí)測(cè)曲線與理論公式計(jì)算吻合。

圖8 H面f=6 GHz

圖9 E面f=12 GHz

圖10 H面f=12 GHz

圖11 E面f=18 GHz

圖12 H面f=18 GHz

3.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

為便于比較，選取的待測(cè)天線為水平極化，E 面波束較寬，H面波束較窄。利用上節(jié)中寬帶探頭方向圖補(bǔ)償方法，對(duì)寬帶探頭測(cè)得的近場(chǎng)方向圖數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，得到3個(gè)典型頻點(diǎn)方向圖。由圖13～圖18結(jié)果可以看出，對(duì)于寬帶探頭的近場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行有效補(bǔ)償，才能與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)探頭吻合。由于補(bǔ)償采用探頭理論公式(1)和(2)，對(duì)于E 面方向圖，某些角度上具有一定誤差；對(duì)于H面方向圖，f=18 GHz時(shí)，寬帶探頭H面主波束60°以外波束起伏較大，導(dǎo)致此區(qū)域內(nèi)的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)探頭不一致。

圖13 E面f=6 GHz

圖14 H面f=6 GHz

圖15 E面f=12 GHz

圖17 E面f=18 GHz

圖18 H面f=18 GHz

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種3倍頻寬帶探頭，并將其用于天線近場(chǎng)測(cè)試，采用一種簡(jiǎn)便的補(bǔ)償方法，補(bǔ)償結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)探頭在主波束120°范圍內(nèi)吻合，滿足工程需求，對(duì)寬帶相控陣近場(chǎng)測(cè)試具有一定的參考價(jià)值。